二次燃烧对自力弹射内弹道影响分析.pdf
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1、第8卷 第2期2 0 2 4年3月宇航总体技术A s t r o n a u t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yV o l.8N o.2M a r.2 0 2 4收稿日期:2 0 2 3-1 1-2 3 修订日期:2 0 2 4-0 1-3 1项目基金:国家自然科学基金青年基金项目(5 1 9 0 0 6 1 5 4 3)作者简介:蒲鹏宇(1 9 9 3),男,工程师,主要研究方向为燃气射流动力学。二次燃烧对自力弹射内弹道影响分析蒲鹏宇1,穆洪斌1,何定洲1,马保海2,宁 雷1(1.北京宇航系统工程研究所
2、,北京1 0 0 0 7 6;2.中国运载火箭技术研究院,北京1 0 0 0 7 6)摘 要:目前弹射所用低温药柱的燃烧平衡产物中含有可燃气体成分,遇初容室内氧气后发生二次燃烧,影响初容室内流场与弹射内弹道特性。为了分析二次燃烧对自力弹射方案内弹道的影响,建立了自力弹射可压缩流动仿真模型,结合有限速率化学反应模型与动网格技术,利用P I S O(压力隐式算子分裂法)算法对控制方程进行数值求解。计算结果表明,二次燃烧使得初容室初始压力峰值时刻提前,并影响初始压力峰值大小。仿真分析结果为自力弹射内弹道设计提供了理论参考。关键词:二次燃烧;弹射内弹道;自力弹射 中图分类号:V 4 1 7+.4文献标
3、志码:A文章编号:2 0 9 6-4 0 8 0(2 0 2 4)0 2-0 0 0 1-0 5T h e I m p a c t o fA f t e r b u r n i n go nI n t e r n a lB a l l i s t i c o f S e l f-E j e c t i o nP UP e n g y u1,MU H o n g b i n1,HED i n g z h o u1,MAB a o h a i2,N I NGL e i1(1.B e i j n gI n s t i t u t eo fA s t r o n a u t i c a lS y s
4、t e m sE n g i n e e r i n g,B e i j i n g1 0 0 0 7 6,C h i n a;2.C h i n aA c a d e m yo fL a u n c hV e h i c l eT e c h n o l o g y,B e i j i n g1 0 0 0 7 6,C h i n a)A b s t r a c t:T h ec o m b u s t i o ne q u i l i b r i u ms p e c i e so f l o w-t e m p e r a t u r ep r o p e l l a n tu s e
5、d i n l a u n c h e s c o n-s i s to f s o m eu n b u r n e dg a s e s.T h e s eg a s e sg e n e r a t ea f t e r b u r n i n gw h e nm i x e dw i t ht h eo x y g e ni nt h e i n i t i a lv e s s e l.T h ea f t e r b u r n i n gi n f l u e n c e st h ei n t e r n a lf l o wa n dt h ep e r f o r m a
6、n c eo fi n t e r n a lb a l l i s t i c.T oa n a l y z e t h e i m p a c to f a f t e r b u r n i n g,ac o m p r e s s i b l e f l o wm o d e l i se s t a b l i s h e dc o m b i n e dw i t hf i n i t er a t ec h e m i s t r ya n dd y n a m i cm e s ht os i m u l a t e t h es e l f-e j e c t i o np
7、r o c e s sa n dt h eP I S Oa l-g o r i t h mi su s e dt os o l v e t h e c o n s e r v a t i v ee q u a t i o n s.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ea f t e r b u r n i n gb r i n g sf o r w a r d t h e f i r s tp e a ko f p r e s s u r e i nt h e i n i t i a l v e s s e l a n da f f e c t s t
8、 h ep e a kv a l u e.T h ea n a l y s i sp r o-v i d e sa t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h e i n t e r n a lb a l l i s t i cd e s i g no f s e l f-e j e c t i o n.K e yw o r d s:A f t e r b u r n i n g;I n t e r n a lb a l l i s t i co f e j e c t i o n;S e l f-e j e c t i o n0 引言近
9、年来,弹射动力装置逐渐采用低温药柱作为弹射能源。随着低温火药在弹射领域的广泛应用,其燃烧产物特性也成为弹射内弹道设计的关注重点1-4。低温火药通常燃烧平衡温度较低,其平衡产物中通常含有大量未充分燃烧的C O、H2、C H4等气体成分5-6,当燃气从燃烧室流出后与初容室内氧气混合,发生二次燃烧7-1 2。二次燃烧一方面释放热量,使得初容室温度升高;另一方面改变初容室内气体分子摩尔数,进而影响初容室压强1 3-1 8。初容室内二次燃烧与初容室内流场特性高度相关。对于自力弹射方案,由于弹射动力装置在弹射过程中随被弹射物体一起出筒,因此其流场特性与固定式弹射存在较大差异1-2。为了研究自力弹射方案初容
10、室二次燃烧特性及其对弹射内弹道的影响,本文建立了自力弹射流场仿真模型,宇航总体技术2 0 2 4年3月对包含有限速率化学反应的初容室内气体流动进行仿真分析。分析结果可为自力弹射内弹道设计提供理论参考。1 几何模型与网格划分自力弹射方式通常将弹射动力装置与被弹射物体相连,随着弹射动力装置内的高温燃气通过喷管入口流入初容室内,弹射动力装置与弹射物体一起弹射出筒。初容室基本几何特征如图1所示。选择二维轴对称模型进行网格划分,对喷管内部与初容室内流场空间进行离散,用于流场仿真计算。图1 几何模型与网格划分F i g.1 G e o m e t r ya n dm e s h2 控制方程忽略热辐射与分子
11、差异扩散现象的作用,守恒型可压缩反应流动模拟的连续性方程、动量方程、组分输运方程、能量方程分别是t+(u)=0(1)ut+(u u+p I)=(2)Yat+(u Ya)=(DaYa)+Sa(3)ett+(u ht)=-q+(u)(4)其中,Ya代表组分质量分数,Da是组分a的分子扩散系数,在面向多组分气体的扩散问题时,能量通量满足q=-T-n sa=1(DahaYa)(5)此外,Sa是组分a的化学反应项,是组分浓度与温度的强非线性函数。3 化学反应体系低温药 柱燃 烧 平 衡 产 物 主 要 包 含C O、N2、HC l、C O2、H2O、CH4、H2,其摩尔分数如表1所示。为简化计算,仅考虑
12、CH4、C O、H2与O2的燃烧,且将基元反应简化为总包反应,如表2所示。表1 低温药柱燃烧平衡产物T a b.1 C o m b u s t i o ne q u i l i b r i u ms p e c i e so f t h el o w-t e m p e r a t u r ep r o p e l l a n t组分摩尔分数C O0.2 5N20.2 0HC l0.0 5C O20.0 5H2O0.0 8C H40.0 7H20.3 0表2 二次燃烧化学反应体系T a b.2 R e a c t i o ns y s t e mo fa f t e r b u r n i n
13、 g序号反应式指前因子活化能/(J/k m o l)温度指数1C H4+1.5 O2C O+2 H2O5.0 1 121 01 121 0802C O+0.5 O2C O2+0 H2O2.3 2 391 01 21.71 0803C O2C O+0.5 O251 081.71 0804H2+0.5 O2H2O9.8 71 083.11 0704 分析与讨论4.1 初容室内流场初容室内流线图如图2所示。从图中可以看出,燃气从喷管喷出后经导流器排导沿径向向外流动,随后冲击发射筒内壁,并沿内壁向四周散开,最终形成前后(沿弹射运动方向)两个涡旋。低温火药燃烧产生的燃烧平衡产物中的C O、CH4等含碳可
14、燃物随燃气流流入初容室内,在流动路径上遇 到 初 容 室 内O2后 发 生 二 次 燃 烧,生 成C O2。对比图3、图4可知,点火后0.0 5s时刻,二次燃烧使得初容室内燃气与空气混合区域C O22 第2期二次燃烧对自力弹射内弹道影响分析质量分数增加了1倍以上,而导流器底部等燃气尚未到达区域C O2质量分数。随着被弹射物体向前运动,初容室容积增大,燃气逐渐充满整个初容室容腔。在此过程中,燃气中的C O、CH4在燃气边界区与初容室O2进一步反应,使得局部C O2质量分数升高。随着被弹射物体进一步向前弹射运动,初容室内O2逐渐被耗尽。0.2 5s时,初容室大部分区域已基本无二次燃烧,C O2质量
15、分数不再显著增加。二次燃烧在改变初容室内气体成分的同时,也产生相应热量。图5与图6分别为无/有二次燃烧条件下弹射过程中初容室内温度分布。通过对比可知,二次燃烧使得初容室温度显著升高。在图2 初容室内流线F i g.2 S t r e a m l i n e s i nt h e i n i t i a l v e s s e l(a)0s (b)0.0 5s(c)0.1s (d)0.2 5s图3 C O2质量分数(无二次燃烧)F i g.3 M a s s f r a c t i o no fC O2(w i t h o u t a f t e r b u r n i n g)(a)0s (b
16、)0.0 5s(c)0.1s (d)0.2 5s图4 C O2质量分数(有二次燃烧)F i g.4 M a s s f r a c t i o no fC O2(w i t ha f t e r b u r n i n g)(a)0s (b)0.0 5s(c)0.1s (d)0.2 5s图5 初容室温度(无二次燃烧)F i g.5 T e m p e r a t u r eo f i n i t i a l v e s s e l(w i t h o u t a f t e r b u r n i n g)(a)0s (b)0.0 5s3 宇航总体技术2 0 2 4年3月(c)0.1s (d)
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